施肥、起壟和品種對(duì)黃土高原新造耕地馬鈴薯氮磷鉀吸收與分配的影響

王凱博, 陳怡平, 鄭太波, 魏 蓉, 孫 琦, 李 媛，上官周平, 張永旺

(1.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710061；2.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；3.延安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西 延安 716000；4.西安地球環(huán)境創(chuàng)新研究院，陜西 西安 710061；5.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

馬鈴薯是全球第四大糧食作物，具有高產(chǎn)、耐旱、耐寒、耐瘠薄等特點(diǎn)，在我國(guó)西北黃土高原地區(qū)大面積種植，是該區(qū)最重要的糧食作物之一[1-2]。由于土壤地力、栽培品種和栽培措施等的差異，不同地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量差別很大[3]。全球馬鈴薯平均產(chǎn)量為18 t·hm-2，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家馬鈴薯平均產(chǎn)量為45 t·hm-2，而我國(guó)馬鈴薯平均產(chǎn)量只有17 t·hm-2，我國(guó)西北地區(qū)馬鈴薯平均產(chǎn)量不足15 t·hm-2[4]。合理施肥是提高馬鈴薯產(chǎn)量，增加馬鈴薯品質(zhì)的重要途徑，同時(shí)也是減少農(nóng)業(yè)面源污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要手段[5]。對(duì)馬鈴薯氮、磷和鉀吸收與分配規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)是合理施肥的關(guān)鍵。盡管對(duì)馬鈴薯氮、磷和鉀吸收與分配特征及其合理施肥已有大量研究，但是不同研究關(guān)于馬鈴薯適宜施肥量及施肥比例的研究結(jié)果存在較大差異[6]。如：段玉等[7]在內(nèi)蒙古武川縣和察右中旗15項(xiàng)試驗(yàn)中平均推薦N∶P2O5∶K2O用量和比例為190∶97∶137 kg·hm-2；張朝春等[8]在甘肅省景泰縣、內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗和河北省沽源縣3個(gè)馬鈴薯生產(chǎn)基地推薦N∶P2O5∶K2O用量和比例為180∶180∶225 kg·hm-2；何文壽等[9]在寧夏西吉縣、原州區(qū)、同心縣和紅寺堡區(qū)等4個(gè)不同馬鈴薯試驗(yàn)基地推薦的N∶P2O5∶K2O用量和比例分別為150∶90∶60、180∶90∶45、195∶105∶75 kg·hm-2和180∶90∶105 kg·hm-2。上述差異表明不同地區(qū)、品種和栽培方式下馬鈴薯對(duì)氮、磷和鉀養(yǎng)分的需求不同。因此，開展不同區(qū)域馬鈴薯氮、磷、鉀元素吸收與分配規(guī)律研究十分有必要，對(duì)于因地制宜指導(dǎo)區(qū)域合理施肥具有重要意義。

為了解決黃土高原生態(tài)建設(shè)和糧食生產(chǎn)之間的矛盾，國(guó)家在黃土高原退耕還林還草工程重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域延安市開展了治溝造地試點(diǎn)工程[10]。截止2018年底，在延安地區(qū)已完成治溝造地面積約34 000 hm-2。然而，新造耕地土壤貧瘠，作物生產(chǎn)力較低[11-12]。蘇翠翠[13]對(duì)比研究了延安新造耕地不同作物產(chǎn)量后發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯對(duì)新造耕地適應(yīng)性最強(qiáng)，但其產(chǎn)量也只有9 t·hm-2，低于當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有馬鈴薯平均產(chǎn)量。如何提高新造耕地馬鈴薯產(chǎn)量，高效利用新造耕地是當(dāng)前迫切需要解決的問題。為此，本研究以黃土高原典型新造耕地馬鈴薯為研究對(duì)象，探討不同栽培品種和栽培措施對(duì)馬鈴薯氮、磷和鉀元素吸收與分配規(guī)律的影響，篩選適宜該區(qū)氣候和土壤條件的馬鈴薯品種和栽培技術(shù)，以期為新造耕地馬鈴薯合理施肥和產(chǎn)量提高提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所沙渠灣試驗(yàn)基地(109°20′51.4″E，36°47′58.3″N)。該區(qū)屬中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，平均降雨量505.3 mm，平均氣溫8.8℃。試驗(yàn)樣地為2018年新造耕地，當(dāng)年未種植作物，2019年開始種植馬鈴薯。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為黃綿土，0～40 cm土層土壤pH值為8.6，有機(jī)質(zhì)含量6.1 g·kg-1，全氮含量0.29 g·kg-1，全磷含量0.63 g·kg-1，全鉀含量18.0 g·kg-1，堿解氮含量16.1 mg·kg-1，有效磷含量5.4 mg·kg-1，有效鉀含量83.7 mg·kg-1，陽離子交換量5.2 cmol·kg-1。2019年和2020年研究區(qū)全年降水量分別為524.6 mm和698.3 mm，馬鈴薯生育期(6―9月)降水量分別為423.8 mm和573.6 mm；全年平均氣溫分別為9.6℃和9.4℃，生育期內(nèi)平均氣溫分別為19.9℃和19.5℃，均高于當(dāng)?shù)囟嗄昶骄健?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，兩組試驗(yàn)包含1個(gè)共同處理(表1)。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)。第一組試驗(yàn)(CK，T1～T3)以當(dāng)?shù)刂髟择R鈴薯品種克新1號(hào)為供試品種，研究栽培措施對(duì)新造耕地馬鈴薯氮(N)、磷(P)、鉀(K)養(yǎng)分吸收與分配的影響。各處理分別為：克新1號(hào)+NPK+平作(CK)、克新1號(hào)+NPK+起壟(T1)、克新1號(hào)+NPKM+平作(T2，M代表農(nóng)家肥)和克新1號(hào)+NPKM+起壟(T3)。第二組試驗(yàn)(T3～T6)馬鈴薯栽培措施相同，研究栽培品種對(duì)新造耕地馬鈴薯氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收與分配的影響。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)品種處理，以T3為對(duì)照，其他3個(gè)處理分別為：隴薯7號(hào)+NPKM+起壟(T4)、NK001/冀張薯8號(hào)+NPKM+起壟(T5)和青薯9號(hào)+NPKM+起壟(T6)。

表1 不同試驗(yàn)處理

試驗(yàn)小區(qū)面積35.8 m2(6.4 m × 5.6 m)，馬鈴薯種植株距40 cm，行距60 cm，種植密度為57 000株·hm-2。每公頃化肥用量為N∶P2O5∶K2O=150∶60∶345 kg，每公頃農(nóng)家肥用量30 000 kg。其中70%的氮、鉀肥作基肥，播種時(shí)施用，30%作追肥，盛花期施用；農(nóng)家肥和磷肥全部作基肥施用，施用方式為撒施。平作處理馬鈴薯種植采用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)穴播種植方式；起壟處理采用人工起壟，壟寬60 cm，壟高20 cm。小區(qū)之間設(shè)0.8 m保護(hù)行，樣地四周留1.0 m保護(hù)行。2019年馬鈴薯種植時(shí)間為6月7日，收獲時(shí)間為10月18日；2020年馬鈴薯種植時(shí)間為5月28日，收獲時(shí)間克新1號(hào)品種為9月24日，其他品種為10月12日。除上述處理差異外，其他管理方式與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶相同。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

生物量測(cè)定：采用全區(qū)收獲法測(cè)定馬鈴薯地上、根系和塊莖生物量(g)。將馬鈴薯地上、根系和塊莖生物量的鮮質(zhì)量稱重后，取部分樣品60℃烘干后測(cè)定其樣品干質(zhì)量(g)，計(jì)算單位面積馬鈴薯地上、根系和塊莖干物質(zhì)量(t·hm-2)。

氮、磷和鉀含量測(cè)定：將烘干后的馬鈴薯地上、根系和塊莖樣品粉碎后過100目篩，分別測(cè)定各部分氮、磷和鉀含量(g·kg-1)。其中，全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用釩鉬黃比色法測(cè)定，全鉀采用火焰光度計(jì)法測(cè)定[14]。

植株氮、磷和鉀養(yǎng)分吸收量(kg·hm-2)：等于植株各部分氮、磷和鉀乘以相應(yīng)部分干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行不同處理間差異顯著性檢驗(yàn)，采用LSD法進(jìn)行不同處理間多重比較分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下新造耕地馬鈴薯生物量與分配特征

2.1.1 栽培措施對(duì)馬鈴薯生物量及其分配的影響 新造耕地克新1號(hào)馬鈴薯塊莖生物量在2019年和2020年分別為14.5～16.0 t·hm-2和12.5～15.1 t·hm-2。與CK相比，T1、T2和T3沒有顯著增加新造耕地馬鈴薯塊莖、地上和根系生物量(表2)?？诵?號(hào)馬鈴薯塊莖生物量占總生物量比例為83.2～95.2%，地上部生物量占總生物量的4.1～15.0%，根系生物量占總生物量0.6～1.9%(表2)。

表2 栽培措施對(duì)馬鈴薯塊莖、地上部、根系和總生物量及其分配格局的影響

2.1.2 栽培品種對(duì)馬鈴薯生物量及其分配的影響 不同品種馬鈴薯塊莖、地上部、根系和總生物量均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。T4和T6處理馬鈴薯兩年平均塊莖生物量較T3處理分別增加56.6%和31.9%；而T5處理塊莖產(chǎn)量與T3相當(dāng)(2020年)或略低(2019年)(表3)。不同品種馬鈴薯地上部、根系和總生物量與塊莖生物量變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為T4和T6處理顯著高于其他品種(表3)。T3塊莖生物量占總生物量比例最高，兩年平均占比為88.1%；T4和T6處理塊莖生物量占總生物量比例較低，兩年平均占比分別為57.4%和66.4%(表3)。

表3 栽培品種對(duì)馬鈴薯塊莖、地上部、根系和總生物量及其分配格局的影響

2.2 不同處理下新造耕地馬鈴薯氮、磷、鉀含量與分配特征

2.2.1 栽培措施對(duì)馬鈴薯氮、磷、鉀含量及其分配的影響 新造耕地克新1號(hào)馬鈴薯塊莖、地上部和根系氮含量分別為10.5～19.1、12.8～15.5、6.7～12.3 g·kg-1；磷含量分別為2.0～2.5、0.7～1.4、0.7～2.1 g·kg-1；鉀含量分別為32.3～33.5、16.0～30.1、13.1～19.1 g·kg-1。總體上看，馬鈴薯塊莖氮、磷和鉀含量最高，其次為地上部分，根系最低。與CK相比，T1、T2和T3處理均沒有顯著提高新造耕地馬鈴薯塊莖、地上部和根系氮、磷和鉀含量，也沒有改變馬鈴薯氮、磷和鉀含量的分配格局(圖1)。

注：a, b, c表示馬鈴薯相同部位不同處理間氮、磷、鉀元素含量差異顯著(P<0.05)；x, y, z表示馬鈴薯相同處理不同部位間氮、磷、鉀元素含量差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2.2 栽培品種對(duì)馬鈴薯氮、磷、鉀含量及其分配的影響 不同品種馬鈴薯塊莖氮含量表現(xiàn)出顯著差異，T3和T5處理馬鈴薯塊莖氮含量顯著高于T4和T6處理，但地上和根系部分氮含量與T4和T6處理無顯著差異(圖2)。與克新1號(hào)T3相比，T4和T6品種塊莖氮含量分別下降46.4%～48.7%和44.2%～49.0%。與氮含量相比，不同品種馬鈴薯塊莖、地上部和根系的磷、鉀含量差異較小。不同品種馬鈴薯各部位氮含量的分配格局也呈現(xiàn)一定差異，除T3(2020年)處理外，各品種馬鈴薯總體呈現(xiàn)地上部含氮量較高，塊莖和根系含氮量差異不大。不同品種馬鈴薯磷含量均表現(xiàn)為塊莖顯著高于地上和根系部分，而地上和根系差異較小。除T4(2020年)處理外，不同品種馬鈴薯鉀含量也總體表現(xiàn)為塊莖最高，但地上部分與塊莖鉀含量差別較小，均顯著高于根系鉀含量(圖2)?？傮w上看，品種差異對(duì)馬鈴薯不同部位氮含量分配格局有一定影響，但對(duì)磷、鉀含量分配格局影響不大。

圖2 栽培品種對(duì)馬鈴薯塊莖、地上部和根系氮、磷、鉀含量的影響

2.3 不同處理下新造耕地馬鈴薯氮、磷、鉀儲(chǔ)量與分配特征

2.3.1 栽培措施對(duì)馬鈴薯氮、磷、鉀儲(chǔ)量及其分配的影響 新造耕地克新1號(hào)馬鈴薯2019年和2020年總氮儲(chǔ)量分別為29.0～35.8 kg·hm-2和43.4～51.7 kg·hm-2，總磷儲(chǔ)量分別為5.4～6.4 kg·hm-2和7.3～8.8 kg·hm-2，總鉀儲(chǔ)量分別為84.5～96.4 kg·hm-2和92.7～108.6 kg·hm-2。其中，塊莖氮、磷、鉀儲(chǔ)量占總氮、磷、鉀儲(chǔ)量的85%以上，其次為地上部分，根系占比最小。總體上看，起壟和施肥處理沒有顯著改變克新1號(hào)馬鈴薯氮、磷和鉀儲(chǔ)量及其分配格局(表4)。

2.3.2 栽培品種對(duì)馬鈴薯氮、磷、鉀儲(chǔ)量及其分配的影響 T4和T6處理馬鈴薯氮、磷和鉀儲(chǔ)量顯著高于T3和T5處理。T4和T6處理馬鈴薯兩年平均總氮儲(chǔ)量分別是T3處理的1.8倍和1.3倍，平均總磷儲(chǔ)量是T3處理的2.2倍和1.4倍，平均總鉀儲(chǔ)量是T3處理的2.5倍和1.7倍。并且，T4和T6處理馬鈴薯地上部分氮、磷和鉀儲(chǔ)量占比分別為56.4%和44.3%、28.8%和18.2%、45.3%和31.7%，明顯高于T3和T5處理。T3和T5處理地上部分氮、磷和鉀儲(chǔ)量占比分別為10.6%和25.4%、5.2%和11.7%、8.8%和16.8%。栽培品種對(duì)馬鈴薯氮、磷、鉀儲(chǔ)量及其分配格局均產(chǎn)生顯著影響(表4)。

3 討 論

3.1 栽培措施對(duì)馬鈴薯氮、磷和鉀元素吸收與分配的影響

合理的栽培措施是提高作物產(chǎn)量的重要途徑[15-16]。通常情況下，起壟和施肥都能促進(jìn)馬鈴薯的產(chǎn)量形成，進(jìn)而增加馬鈴薯對(duì)土壤中氮、磷和鉀元素的吸收量[7, 17-18]。然而，本研究中起壟和增施有機(jī)肥并未顯著增加新造耕地馬鈴薯產(chǎn)量和植株氮、磷、鉀吸收量(表2，表4)。壟作栽培馬鈴薯增產(chǎn)的原因主要有兩個(gè)方面，一是起壟降低了土壤容重，增加土壤疏松度，有利于馬鈴薯塊莖的形成與膨大[17]；二是起壟增加了地表土壤的受光面積，促進(jìn)了土壤熱量的吸收與耗散，增加了土壤晝夜溫差，有利于光合產(chǎn)物在馬鈴薯塊莖的積累[19]。但是，不同栽培措施對(duì)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量及氮、磷和鉀元素吸收量的影響依賴當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑼寥赖拳h(huán)境條件[20]。本研究馬鈴薯種植土壤為新造耕地。新造耕地是利用現(xiàn)代化機(jī)械將溝坡高處土壤覆蓋到溝下低處土壤形成，其土壤被壓實(shí)平整后使用大型農(nóng)用機(jī)械進(jìn)行了多次深翻耙平，耕層土壤相對(duì)疏松，土壤結(jié)構(gòu)對(duì)馬鈴薯塊莖形成與膨大限制作用較小。同時(shí)，研究區(qū)所在地位于我國(guó)陜北黃土高原地區(qū)，該區(qū)晝夜溫差相對(duì)較大，馬鈴薯生長(zhǎng)季節(jié)6―9月日平均溫度超過20 ℃，高于或接近馬鈴薯生長(zhǎng)最適溫度。因此，對(duì)于研究區(qū)新造耕地，土壤結(jié)構(gòu)和溫度均不是馬鈴薯生長(zhǎng)主要制約因素，對(duì)馬鈴薯氮、磷和鉀元素吸收與分配沒有顯著影響。

有機(jī)肥主要通過提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤空隙結(jié)構(gòu)等來培肥土壤，促進(jìn)作物生長(zhǎng)；而化肥則可以迅速提高土壤主要養(yǎng)分的濃度，滿足作物生長(zhǎng)需要[21]。除部分處理增施有機(jī)肥外，研究區(qū)不同處理馬鈴薯樣地均施用了等量的化肥。按照施用化肥N、P2O5和 K2O 的養(yǎng)分利用率分別為 35.9%、15.6%和50.4%計(jì)算[7]，每公頃土地化肥可提供N、P2O5和 K2O分別為53.9、9.4、173.9 kg，基本能滿足研究區(qū)克新1號(hào)馬鈴薯N(29.0～51.7 kg)、P2O5(12.2～20.1 kg)和K2O(101.9～130.9 kg)的吸收量。加之，新造耕地有機(jī)肥培肥時(shí)間較短，有效性養(yǎng)分釋放緩慢，故在施用足量化肥的情況下增施有機(jī)肥沒有顯著提高新造耕地克新1號(hào)馬鈴薯氮、磷和鉀元素的吸收量，也未明顯改變氮、磷和鉀元素在植株不同部位的分配格局。

3.2 栽培品種對(duì)馬鈴薯氮、磷和鉀元素吸收與分配的影響

馬鈴薯不同處理間養(yǎng)分吸收的差異主要由塊莖產(chǎn)量決定[20,22]。不同馬鈴薯品種之間的產(chǎn)量差異極為顯著[23-25]。本研究中不同馬鈴薯品種氮、磷和鉀的吸收量表現(xiàn)出顯著差異，并且氮、磷和鉀在植株各部分的分配格局也有明顯不同(表4)，這主要由不同品種馬鈴薯生物量及其分配差異引起(表3)。馬鈴薯氮、磷和鉀的吸收量變異較大。每生產(chǎn)1 000 kg塊莖馬鈴薯N吸收量在1.0～10.0 kg之間變化，其主要分布范圍為3.0～6.0 kg；P2O5吸收量在0.5～3.5 kg之間變化，其主要分布范圍為0.5～2.0 kg；K2O在2.0～12.0 kg之間變化，其主要分布范圍為4.0～10.0 kg[26]。本研究不同品種馬鈴薯每生產(chǎn)1 000 kg塊莖的N、P2O5和 K2O吸收量分別為2.2～3.5，0.9～1.7 kg和7.2～13.6 kg，其變化范圍與前人研究基本一致。與前人研究相比，新造耕地不同馬鈴薯品種對(duì)氮的吸收量偏低，對(duì)磷的吸收量居中，而對(duì)鉀的吸收量較高。

馬鈴薯氮、磷和鉀元素在植株內(nèi)吸收與分配受到生育期影響[6-7,27]。在收獲期，塊莖是馬鈴薯氮、磷和鉀元素的主要儲(chǔ)存庫。段玉等[7]在內(nèi)蒙古的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯塊莖氮累積量占總氮吸收量的70%，磷和鉀累積量占總磷、鉀吸收量的82%和74%。何文壽等[9]在寧夏的試驗(yàn)則發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯塊莖氮、磷累積量分別占各自總吸收量的60%以上，鉀的累積量占鉀總吸收量的50%。相比而言，本研究不同品種馬鈴薯塊莖氮、磷和鉀兩年平均累積量變化分別為41.3%～88.4%，69.8%～94.2%和53.5%～90.3%。上述結(jié)果的差異反映了馬鈴薯植株對(duì)氮、磷、鉀吸收與分配具有較大的時(shí)空變異性，這種高度變異性與馬鈴薯寬泛的環(huán)境適應(yīng)性是一致的。

4 結(jié) 論

1)起壟和增施有機(jī)肥沒有顯著增加新造耕地馬鈴薯產(chǎn)量和植株氮、磷、鉀元素的吸收量，也沒有明顯改變馬鈴薯氮、磷和鉀元素在植株不同部位的分配比例，其原因與新造耕地土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松、生育期土壤溫度較高以及無機(jī)肥施用量充足等有關(guān)。

2)栽培品種對(duì)新造耕地馬鈴薯氮、磷和鉀吸收量影響顯著，隴薯7號(hào)和青薯9號(hào)馬鈴薯品種氮、磷和鉀元素吸收量顯著高于當(dāng)?shù)刂髟云贩N克新1號(hào)，并且隴薯7號(hào)和青薯9號(hào)馬鈴薯氮、磷和鉀元素在植株各部分的分配格局也與克新1號(hào)明顯不同，其植株地上部分氮、磷和鉀元素分配比例明顯高于克新1號(hào)。

3)研究區(qū)新造耕地所有處理兩年平均馬鈴薯N、P2O5、K2O吸收量分別為50.8、22.5 kg和161.3 kg，參考馬鈴薯N、P2O5、K2O養(yǎng)分利用率[7]，在不考慮增施有機(jī)肥情況下，需要N∶P2O5∶K2O用量和比例為142∶145∶320 kg·hm-2。